Concernant les principes du vol des avions, c’est-à-dire l’origine de la Portance, la plupart des livres mentionnent la “loi de Bernoulli”. Comme le flux d’air est divisé en deux parties (haut et bas) au bord d’attaque de l’aile, la vitesse de l’écoulement sur le dessus est plus rapide que celle du dessous, la pression atmosphérique sur le dessus est donc inférieure à celle du dessous, et cette différence de pression fournit la Portance.

Cependant, je n’ai jamais vraiment compris pourquoi “la vitesse de l’écoulement sur le dessus est plus rapide que celle du dessous”. Par exemple, beaucoup d’explications disent que le flux d’air est séparé au bord d’attaque et se recombine finalement au bord de fuite de l’aile, mais comme les formes des surfaces supérieure et inférieure de l’aile sont asymétriques (le dessous est plat, le dessus est bombé), la distance parcourue par l’air le long de la surface supérieure est plus longue, donc la vitesse d’écoulement est naturellement plus rapide.

Cependant, cette théorie est incorrecte car elle ne peut évidemment pas expliquer le phénomène des avions en papier ou des chasseurs volant sur le dos (vol inversé). La NASA appelle cette explication la théorie du “Longer path” (Chemin plus long) ou “Equal transit” (Temps de transit égal), et l’explique dans l’article Incorrect theory #1 “Longer path” or “Equal transit” Theory sur son site officiel.

Il existe également une autre idée fausse qui n’implique pas la “loi de Bernoulli”, selon laquelle la Portance provient de la force de réaction de l’air sur le dessous de l’aile, ce que la NASA a également présenté dans Incorrect theory #2, “Skipping stone” theory.

Revenons donc à la question initiale : pourquoi “la vitesse de l’écoulement sur le dessus est plus rapide que celle du dessous” ? J’ai trouvé une explication selon laquelle la Portance d’un avion implique la condition de Kutta-Joukowski et le tourbillon (Vortex).

Lorsque l’avion passe de l’arrêt à l’accélération initiale pour le décollage, les vitesses de l’écoulement d’air au-dessus et en dessous de l’aile sont identiques. Cela fait que lorsque l’écoulement inférieur atteint le bord de fuite, l’écoulement supérieur n’y est pas encore arrivé ; le point d’arrêt arrière se trouve à un certain point au-dessus du profil. L’écoulement inférieur doit donc contourner le bord de fuite pointu pour rencontrer l’écoulement supérieur. Une fois les écoulements supérieur et inférieur réunis, ils s’écoulent vers l’arrière de l’aile, mais on peut observer une perturbation de l’écoulement.

En raison de la viscosité du fluide, c’est-à-dire l’effet Coanda, le fluide a tendance à quitter sa direction d’écoulement d’origine et à suivre la surface d’un objet saillant. Lorsque l’écoulement inférieur contourne le bord de fuite, il forme un tourbillon de basse pression (Vortex), créant un important gradient de pression inverse au bord de fuite. Immédiatement, ce tourbillon est emporté par le flux incident ; ce tourbillon est appelé le tourbillon de départ (starting vortex).

L’appareil continue d’avancer, mais l’énergie générée par le tourbillon de départ précédent affecte l’écoulement d’air sur la partie supérieure de l’aile, c’est-à-dire qu’elle crée un effet qui tire l’écoulement supérieur vers l’arrière.

L’appareil continue d’avancer et le tourbillon de départ reste sur place, se séparant ainsi de l’appareil.

Selon le théorème de Helmholtz sur la conservation des tourbillons, pour un fluide idéal incompressible sous l’action de forces dérivant d’un potentiel, il existe également autour du profil un tourbillon d’intensité égale et de direction opposée à celle du tourbillon de départ, appelé circulation, ou circulation autour de l’aile. La circulation s’écoule du bord d’attaque de la surface inférieure vers le bord d’attaque de la surface supérieure, Ainsi, la circulation ajoutée au flux incident fait reculer le point d’arrêt arrière jusqu’au bord de fuite de l’aile, satisfaisant ainsi la condition de Kutta – “Pour une aile réelle et génératrice de portance, l’écoulement se rejoint toujours au bord de fuite, Sinon, il y aurait un point où la vitesse de l’écoulement serait infinie au bord de fuite. Seule cette condition permet à l’aile de générer de la portance.”

Avec cette circulation autour de l’aile, nous pouvons expliquer pourquoi les vitesses supérieure et inférieure sont différentes. Les tourbillons sur l’aile dans l’image ci-dessus sont la raison pour laquelle les avions peuvent voler dans l’air !

Cependant, dans la réalité, cette circulation est invisible à l’œil nu et il est très difficile de l’enregistrer avec des équipements de test. Après tout, par rapport à la vitesse du flux incident, la circulation est très faible. Nous devons donc compter sur les tourbillons de bord d’attaque (ou de sillage) pour prouver son existence. Comme l’envergure est finie, la circulation autour de l’aile s’écoule vers l’arrière à partir des extrémités des ailes (saumons), formant des tourbillons de bout d’aile (tip vortices), tournant dans le sens des aiguilles d’une montre à gauche et dans le sens inverse à droite. Une vidéo de l’expérience de la NASA sur les tourbillons de bout d’aile est disponible sur YouTube,

On peut voir que l'intensité des tourbillons de bout d'aile formés par un C5 est très forte.

Une autre explication de la NASA sur les tourbillons de bout d’aile.

Une vidéo encore plus intéressante est cette démonstration en soufflerie, où l’on peut voir l’écoulement d’air sur l’aile changer avec l’angle d’attaque. Le point d’arrêt arrière mentionné plus haut, ainsi que la perturbation de l’écoulement et la chute de portance à fort angle d’attaque, peuvent y être démontrés.

＃Concernant la perturbation de l’écoulement causée par un angle d’attaque trop important, il y a une excellente vidéo sur YouTube à titre de référence,

Grâce à de nombreuses petites bandes collées sur l'aile de l'avion, les changements d'écoulement lors d'un **Décrochage** sont très clairs, et on peut aussi bien voir que l'écoulement à l'emplanture de l'aile décroche avant l'extérieur.

Concernant le tourbillon de départ, il existe également une vidéo de simulation sur YouTube pour référence.

Comme le tourbillon de départ et les tourbillons de bout d'aile peuvent rester sur la **Piste** pendant un certain temps, affectant les avions qui vont décoller ensuite, les opérations aéroportuaires contrôlent toujours l'intervalle de décollage entre deux avions, laissant environ 2 minutes d'écart.

Références https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/wrong1.html http://firstflight.open.ac.uk/pages/aerodynamics/how_planes_fly/vortex.php http://jein.jp/jifs/scientific-topics/887-topic49.html http://baike.baidu.com/view/3831899.htm wikipedia:起动涡